17/08/2013
Contenidos
Arq. Ana M. Compagnoni Cátedra Evans- de Schiller Centro de Investigación Hábitat y Energía Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo Universidad de Buenos Aires
[email protected] IAS 2013: Introducción a la Arquitectura Solar
N Ó I C A T N E S E R P
• • • • • • • • • •
Globalización y Consumo Energético Impactos ambientales Consumos según los usos Aspectos climáticos Condiciones de Confort Estrategias para el ahorro y la eficiencia energética Clima y Oferta de Radiación Solar Clima y Demanda de Calefacción Trabajo Practico Ejemplos de aplicación
Arq. Ana M. Compagnoni – a n a c o m p a 0 3 @ y a h o o . c o m . a r
Efectos sobre el hábitat construido Contexto energético: Alta dependencia actual en energías no
renovables, aumento de costos, emisiones de GEI, gase s efecto invernadero, y calentamiento global. Demanda de energía: Variables climáticas, zonas
N Ó I C A T N E S E R P
bioambientales, clima-confort-arquitectura. Impacto de calor en verano y demanda de calefacción en invierno, importancia de la amplitud térmica. Recurso solar: Oferta de radiación solar según latitud, altura
s.n.m. y variación de condiciones atmosféricas: días con sol, nubosidad, intensidad de radiación, etc. Arquitectura: Captación en invierno + Control e n verano,
almacenamiento, distribución y conservación de la energía solar. Forma edilicia y agrupamiento, envolvente, espacios exteriores, etc.
N Ó I C A Z I L A B O L G
Arq. Ana M. Compagnoni –
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• independiente del clima. • independiente de los recursos y consumos energéticos. • independiente de recursos económicos necesarios para su funcionamiento. • Independiente de las tecnologías locales.
ARGENTINA Edificios son responsables del 40% de la demanda total de E que proviene en 90% de energías no renovables Arq. Ana M. Compagnoni – a n a c o m p a 0 3 @ y a h o o . c o m . a r
Consecuencias Locales
Acondicionamiento térmico
• Impacto de factores climáticos de disconfort en el edificio. • No se aprovechan los potenciales beneficios que presenta el medio para mejorar la habitabilidad. L A C O L O T X E T N O C
• Constante aumento del consumo eléctrico y carga térmica interior que redundan en: - Mayor inversión en equipos de climatización. - Mayor superficie destinada a instalaciones de confort. - Problemas de acondicionam acondicionamiento iento a futuro (costos energéticos).
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L A C O L O T X E T N O C Arq. Ana M. Compagnoni – a n a c o m p a 0 3 @ y a h o o . c o m . a r
17/08/2013
RECURSOS FÓSILES NO RENOVA RENOVABLES BLES
Gases Efecto Invernadero Emisiones GEI: GEI: total nacional y de edificios
0%
A Í G R E N E E D S E T N E U F
2 0%
40%
6 0%
80%
Electricidad Gas de Red Gas Licuado Kerosene Diesel+Gas Oil
Vivienda Otros edifs
Fuel Oil Carbón de Leña Lena
Ref: Balance Energético Nacional 2012
E N T E I B M A L A O T C A P M I
Ac ondic iona mi miento
O tra en ener gí gía
Ma ter ia les
O tra s ac a c ti vida des
Desperdic ios
11% 5% 5%
2%
77%
InventarioGEI, 2da Comunicación Nacional, 2007, Datos de 2000
Emisiones producidas por edificios en Argentina: 24-25% del total nacional de emisiones. • Calefacción, refrigeración, iluminación artificial (relación con diseño) > 11 %, = 2/3 del uso de energía en edificios • ~15 % de la emisiones corresponden a vivienda •
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Efecto global
Efecto global • Emisión de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero
E N T E I B M A L A O T C A P M I
Fuente: Guía de Diseño para la Eficiencia Energética en la vivienda Social Mrio de Vivienda y Urbanismo- Chile
E N T E I B M A L A O T C A P M I
• Deforestación • Lluvia ácida • Destrucción de la capa de ozono • Calentamiento global (0,5°C – 5ºC) • Crecimiento de eventos excepcionales (tormentas, variación de temperaturas medias, etc.) • Aumento nivel del mar (<60 cm)
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A N I T N E G R A E D S E L A T N E I B M A O I B S A N O Z
Norma Iram 11.603
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VARIABLES
Concepto de grados día (medias <14ºC y mínimas<9ºC)
Temperatura Humedad A Viento I G Radiación solar R Precipitación E Nubosidad N E Hel io fa nía I II III IV V IV
grados Celsius relativa %, o absoluta Km / hora, dirección Watts / m2 (horas de sol, % nubes) mm / día o mes, días con lluvia proporción del ci elo con nubes horas de radiación solar directa
Y _ CLIMA A Resultado integral de variables a lo largo largo del tiempo y M I para una región L C
Muy cálido Cálido Templado Tem plado cálido Templado Tem plado frío Frío Muy Frío Arq. Ana M. Compagnoni –
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17/08/2013
Variación diaria de temperatura
Temperatura TEMPERATURAS 30.0 25.0 20.0 15.0 ° S C S 10.0 O A R 5.0 C U T I A 0.0 T R E ENE FEB MA R A BR MA Y JUN JUL A GO SEPT OCT NOV DIC P A M E 20.2 19.4 18.2 14.4 11.7 8.5 8.5 8.9 11.1 13.6 15.6 15.6 18.8 MINIMA M T I 24.1 23.0 21.6 17.9 14.7 11.5 11.4 12.2 14.5 17.2 19.8 22.9 MEDIA L 27.0 25.4 21.9 18.4 15.2 14.6 16.0 18.4 21.1 24.2 27.3 C MAXIMA 28.5 S MESES E MINIMA MEDIA MA XIMA R O T Confort para actividad sedentaria: 18 - 27°C Datos: Aeroparque, Servicio Meteorológ Meteorológico ico Nacional C A F
S O C I T A M I L C S E R O T C A F
Gráfica de temperaturas diarias en cada mes del año
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S O C I T A M I L C S E R O T C A F
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Humedad relativa
Precipitación
Humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica
Volumen de agua caída (líquida), por metro cuadrado de superfic ie, en el lugar de observación. Unidad : Milímetros , "mm“.
HUMEDAD RELATIVA D A D E M U H E D %
100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
RELATIVA 69,0
72,0
74,0
75,0
77,0
77,0
79,0
74,0
MAXIMA
88,6
90,9
92,4
94,7
94,2
94,2
96,0
92,3
72,0
73,0
66,0
67,0
90,4
92,8
87,1
87,4
MINIMA
52,6
56,1
58,2
57,8
60,2
60,1
63,7
57,4
55,6
56,5
49,8
50,9
MESES RE LATI VA
MAXI MA
MI NI MA
>80% HR es molesta cuando temp >24°C Datos: Aeroparque, Servicio Meteorológ Meteorológico ico Nacional
S O C I T A M I L C S E R O T C A F
PRECIPITACIONES 500 400 S O R T E M I L I M
300 200 100 0
ENE
FEB
MA R
A BR
MA Y
JUN
JUL
A GO
SEPT
OCT
NOV
DIC
124
12 3
11 1
64
61
71
78
77
74
96
99
84
PRECIPIT.
MESES
45 - 50 mm / mes para vegetación
Datos: Aeroparque, Servicio Meteorológ Meteorológico ico Nacional
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Otros factores
Variación diaria de temperatura
NUBOSIDAD 8,0
Nubosidad
7,0 6,0
S O V A T C O
Parte
5,0
3,0 2,0
S O C I T A M I L C S E R O T C A F
Cantidad de ocurrencias/ 1000 observaciones y según según orientación
Mediciones en Km/h según orientación
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S O C I T A M I L C S E R O T C A F
de
cielo
cubierta
por
nubes.
Unidad : Octavos de superficie de la esfera celeste cubierta por nubes
4,0
1,0 0,0 NUBOS
ENE
FEB
MAR
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
SEPT
OCT
NOV
DIC
3,5
3,2
3,7
3,8
4,2
4,4
4,5
4,2
4,3
4,2
3,8
3,6
Heliofanía efectiva
HELIOFANIAEFECTIVA AEFECTIVA S 12,0 A R 10,0 O H 8,0 E D 6,0 O R 4,0 E M 2,0 U N 0,0 HELIOF
ENE
FEB
MAR
9, 9
8,6
6,8
A GO
SEPT
OCT
CONDICIONESDEL CIELO 5,8 4,7 4,4 4, 8 5, 5
ABR
MA Y
JUN
JUL
5, 9
7,2
NOV 9,2
DIC 9, 7
Tiempo durante el cual los rayos solares inciden directamente (radiación directa) sobre la parte sensible del instrumento, sobrepasando un cierto umbral de radiación (aproximadamente 200 W/m2). Unidad : Horas y décimas de hora .
30 25 S A I D E D O R E M U N
Condiciones de cielo
20 15
cantidad de cielo cubierto por nubes.
10 5 0
ENE
FEB
MA R
A BR
MA Y
JUN
JUL
AGO
SEPT
OCT
NOV
DIC
6
4
8
7
10
12
12
11
10
9
8
5
S/C
15
14
12
13
13
10
12
11
12
15
13
17
CLARO
10
10
11
10
8
8
7
9
8
7
9
9
CUBIERTO
Claro: 10% del Cielo cubierto por Nubes Cubierto: >90% del Cielo cubierto por Nubes Unidad : días
17/08/2013
Procedimiento
Procedimiento • Análisis del clima • Identificación de
:
estrategias de confort
Situación de disconfort en invierno, primavera y otoño por condiciones de bajas temperaturas temperaturas y HR excesiva
Procedimiento
1 - Refrescamiento: • Ventilación cruzada (clima húmedo), movimiento sensible de aire (-2°C ) • Ventilación selectiva (variació n de tº), ventilación según la variación de la tº ext. • Inercia térmica (gran amplitud térmica), uso de materiales pesados, control de ventilación, etc. • Refrescamiento evaporativo (clima seco), evaporación de agua, vegetación, • Radiación ación a ‘cielo ‘cielo frío’ (noche despejada), espacios abiertos
2 - Control de sobrecalentamiento: • Protección solar: aleros, pérgolas, arboles • Inercia térmica: materiales en interiores • Aislación térmica térmica - especialmente en techos • Colores exteriores claros o reflejantes • Control de superficies vidriadas
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Factores condicionantes • Con dicio ne s atm os fé ricas : – nubosidad, polucción..
• Inclinación de rayos solares : – latitud, estación, hora
R A L O S N O I C A I D A R
• Incidencia sobre superficies : – orientación, inclinación
Variables Variables • Geo gr áfic as: – latitud, altura sobre nivel del mar
• Clim átic as : – Humedad relativa, nubosidad, polvo,
• Arquitectónicas: – Forma, orientación, inclinación
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estrategias de confort • Elaboración de pautas de
diseño
a r u 14 t a r e 12 p m e 10 t e d d 8 u t i l 6 p m A 4
Situación de disconfort en verano por condiciones de temperatura y HR excesivas
2 0 10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
Temperatura media
Situación de di sconfort en invierno, primavera y otoño por condiciones de bajas temperaturas temperaturas y HR excesiva
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Procedimiento
APLICACION DE RECURSOS S E L A T N E I B M A O I B S O S R U C E R
• Análisis del clima • Identificación de
:
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T R O F N O C E D S O C I F A R G
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Escalas: urbana, arquitectónica, constructiva Alternativas: Selección de espacios según temperatura Elementos: techos, paredes, ventanas y solados Espacios: interiores, exteriores e intermedios
´
18
diseño Situación de disconfort en verano por condiciones de temperatura temperatura y HR excesivas
:
20
• Elaboración de pautas de
T R O F N O C E D S O C I F A R G
´
3 - Conservación de condiciones confortables: S E L A T N E I B M A O I B S O S R U C E R
• • • •
Protección solar: reducir ganancias provenientes del exterior Protección de viento: reducir enfriamientos en climas ventosos Inercia térmica: materiales para estabilizar y reducir la amplitud itud térmica. Control de ganancias internas: reducción de aumento de temperatura: - instalaciones de luz, cocinas, equipos eléctricos, etc.
4 - Aumento de la temperatura: • • • • •
Radiación solar: sobre ocupantes / usuarios Captación de energía solar : en interiores Aislación Aislació n térmica con ganancias as intern internas as Inercia térmica: (gran amplitud) Ventilación selectiva:
5 - Control de pérdidas de calor: • Infiltración: Evitar excesivas infiltraciones de aire • Control del movimiento de aire: y ‘chifletes’ • Aislación térmica: térmica: de la envolvente o ‘piel’ • Forma edilicia: compacta
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Constante Solar La intensidad máxima de la radiación solar en la capa superior de la atmosfera (radiación solar normal sin absorción atmosférica) Valor aprox: 1300 Watts / m 2
RLeve variación anual A L según la distancia sol - tierra O S 2 Prom edio d iario 440 watts / m N O I C A I D A N R
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Máxima sobre la superficie terrestre- Verano En Buenos Aires, sol casi vertical al mediodía en verano , sobre superficie horizontal Valor aprox: 1000 Watts / m 2 En Buenos Aires, en verano a las 16:00 horas sobre R superficie horizontal A Valor aprox: 600 Watts / m 2 L
O S Noche: 0 Watts / m 2 N 2 O I Prom edio diario verano: 355 Watts / m C A I D A R
Máxima sobre la superficie terrestre - Invierno En Buenos Aires, sol casi vertical al mediodía en , sobre superficie horizontal invierno Valor aprox: 520 Watts / m 2 En Buenos Aires, en invierno a las 16:00 horas sobre superficie horizontal R 2 A Valor aprox: 200 Watts / m
L O Noche: 0 Watts / m 2 S N Prom edio diario verano: 130 Watts / m 2 O I C A I D A R
Gran intensidad en zonas altas de la Cordillera de los Andes y Neuquén. Menor intensidad en zonas de altas latitudes en el sur patagónico y zonas bajas de Jujuy, Salta y Tucumán por épocas de lluvia.
Media sobre la superficie RADIACIÓN SOLAR MEDIA
terrestre- Verano
En Buenos Aires, sol casi vertical al mediodía en verano , sobre superficie horizontal Valor aprox: 840 Watts / m 2 En Buenos Aires, en verano a las 16:00 horas sobre R superficie horizontal A Valor aprox: 500 Watts / m 2
L O Noche: 0 Watts / m 2 S N 2 Prom edio d iario media de verano : 290 Watts / m O I C A I D A R
Media sobre la superficie terrestre-Invierno En Buenos Aires, sol casi vertical al mediodía en , sobre superficie horizontal invierno Valor aprox: 400 Watts / m 2 En Buenos Aires, en invierno a las 16:00 horas sobre superficie horizontal R 2 A Valor aprox: 150 Watts / m
L 2 O Noche: 0 Watts / m S N Prom edio d iario media de verano: 100 Watts 2 Watts / m O I C A I D A R
Gran intensidad en zonas altas de la Cordillera de los Andes y Neuquén. Menor intensidad en zonas bajas de Jujuy, Salta y Tucumán por épocas de lluvia y zonas australes de altas latitudes.
17/08/2013
Baja intensidad en general, dependiendo de la latitud, con mayor aumento según la altura en el NO del país.
Intensidad media con distribución similar a marzo, dependiendo de la latitud y altura s.n.m.
Composición total
Composición Estimada- Buenos Aires-34 S RADIACION SOLAR
Marzo-Sup vertical- Orientación N
• Directa: rayos del sol – hasta 90% del total
1000 900
Directa 800
• Difusa: del cielo R – 10% del total en días claros A L – 100% del total en días nublados
O S• Reflejada: del suelo N – Depend Depende e de la reflectividad del s uelo O – Sin reflejada en superficies horizontales I C A I D A R
Difusa Reflejada
700
RADIACION SOLAR
600
2 m 500 / W
1000
R A L O S N O I C A I D A R
Total
400
900
Directa 800
300
Difusa Reflejada
700
Total
600
200 100
2 m 500 / W
0
HORA
400
1
3
5
7
9
11
13
15
1 7
19
21
23
RADIACION SOLAR
300 200 1000
100
900
0
HORA
1
3
5
7
9
11
13
15
1 7
19
21
23
Directa 800
Difusa Reflejada
700
Marzo- Sup horizontal
Total
600
2 m 500 / W 400 300 200 100
Marzo-Sup vertical- Orientación O
0
HORA
1
3
5
7
9
11
13
15
1 7
19
21
23
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Bajas Latitudes
Altas Latitudes
Buen asoleamiento en invierno sobre superficies horizontales Facil protección solar en verano sobre superficies verticales con orientación norte Mas radiación en invierno que en verano, por el ángulo de incidencia favorable.
Buen asoleamiento en invierno sobre superficies verticales con orientación norte Limitada necesidad de protección solar en verano Mas radiación en invierno que en verano, por el ángulo de incidencia favorable.
N Ó I C A I D A R
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17/08/2013
Grados Día
Influencia sobre la temperatura interior Radiación recibida en un ambiente, relacionando la orientación y porcentaje de ventana
48-51
80
45-48 60
Unidad : Watt / m2. ; cal / cm2 min ; langley / min., etc.
42-45 39-42
40
36-39
O R I E N T A C I O N O E ST E , S I N P R O T E C C I O N
56
N
52
NE
E
SE
S
SO
O
20 NO
33-36 30-33
48 44
80 %
40
60 %
36
40 %
32
20 %
28 24 P e sa d o
M ed ed i a n o
L i vi a n o
Simulación de temperaturas interiores máximas en verano según orientación y % de vidrio en fachadas para Buenos Aires:
ORIENTACION NORTE CON PROTECCION
56 52 48
N Ó I C A I D A R
80%
44 40
60% 40%
36 32
20%
Situación mas critica Oeste 80% vidrio: 42 – 45 °C Situacion mas favorable Norte 20-40 % vidrio: 30 - 33 °C
28 24 P e s ad o
M e d i a no
L i vi a no
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N Ó I C C A F E L A C E D A D N A M E D
40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14
34
LAT:34° 35´SLONG:
27 58° 29´WALT:
mts
23 años
LAT:33º16´S LONG:
19
10
3 -2
1
0
-3.5
-3
4.5
a r u t a r e p m e T
15,0
20,0
15,0
10,0
10,0 5,0
5,0 0,0 1 5
45
75
1 0 5
135
165
1 9 5
225
255
2 8 5
315
345
0,0 1 5
Dias (aprox)
4 5
75
105
135
65º05´ WALT:2980 m ts
1 95
225
255
285
3 15
345
San Luis
61- 70
LAT:40° 51´ SLONG:
30,0
40 63° 01´ WALT:40
mt s
81-90
35,0
25,0
30,0
20,0
a r u t a r e p m e T
1 65
Dias (aprox)
BuenosAires LAT:23º12´ SLONG:
25,0
15,0
a r u t a r e p m e T
10,0
20,0 15,0
5,0
10,0
0,0
5,0 0,0
-5,0
-5,0
-10,0 15
45
7 5
1 05
1 35
1 65
1 95
2 25
2 55
2 85
315
345
1 5
4 5
75
1 05
1 35
165
1 95
225
255
2 85
315
345
Dias (aprox)
Dias (aprox)
Humahuaca
17
5.5
18
14
13 10
6
7
1 -1
-5.5
-9
-8
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3
Grados días: indicador de la duración y severidad del período de calefacción Arq. Ana M. Compagnoni – a n a c o m p a 0 3 @ y a h o o . c o m . a r
Según grados días1 o Zona N Bioambiental
25,0 a r u t a r e p m e T
20,0
14
10
2 5 .5
22.5 20.5
17 12.5
81-90
30,0
25,0
21
Humahuaca Zona VI Muy fría
35,0
30,0
N Ó I C C A F E L A C E D A D N A M E D
66º21´WALT: 713 m ts
2 5 .5
24
Grados Día 35,0
33
31 28
Carmen de Patagones
Arq. Ana M. Compagnoni –
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Datos disponibles
Arq. Ana M. Compagnoni –
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Ó I C Zonas Población Energía C I. Muy cálido 12 % 2,3 % A 18 % 9,6 % F II. Cálido 46 % 42,8 % E III. Templado L IV Templ frío 17 % 22,6 % A V. Frío 4 % 9,6 % C VI. Muy frío 3% 9,6 % E Estimaciones propias D A D Distribución de población y demanda N de energía para calefacción de A viviendas. M E D
San Luis Zona IIIa Templada Continental
Carmen de Patagones Zona IVcTemplada fría costera
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Gráficos del Cociente Carga Colector para evaluar la demanda de energía para calefacción
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17/08/2013
¿Cómo son las condiciones de temperatura media en relación al confort para cada época del año?
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¿Cómo es la demanda de calefacción a lo largo del año? Y Cómo se relaciona con la radiación disponible?
¿Qué oferta de radiación solar hay disponible a lo largo de año ?
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Sistemas Solares Pasivos Aprovechamiento a través de sistemas que logran una efectiva conversión térmica de la radiación incidente. Función de los sistemas: sistemas: Captación, Transformación, Acumulación, Distribución, Control de pérdidas. • Ganancia Directa • Muro Acumulador sin ventilación • Muro “Trombe”
• Invernadero • Protección solar • Colectores y módulos fotovoltaicos Arq. Ana M. Compagnoni –
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